RU2636334C2

RU2636334C2 - Device to manipulate rods of drilling rig

Info

Publication number: RU2636334C2
Application number: RU2015153588A
Authority: RU
Inventors: Йохан ЙЕЛЬГЕРТ; Ларс-Эрик ЛАРССОН; Пер ВИЛЕН; Кент ЭВЕРМАРК
Original assignee: Сандвик Интеллекчуал Проперти Аб
Priority date: 2013-05-17
Filing date: 2014-04-09
Publication date: 2017-11-22
Also published as: CA2911674A1; PL2803810T3; EP2803810A1; US9650849B2; US20160115751A1; AU2014267632A1; CN105339580A; CL2015003325A1; AU2014267632B2; EP2803810B1; CN105339580B; CA2911674C; RU2015153588A; WO2014183929A1

Abstract

FIELD: mining.SUBSTANCE: system for manipulating the drill rods comprises a clamping unit that is rotatable and axially movable in x, y and z directions during rod transportation. The clamping unit comprises: rod grips for engaging and holding a first rod to be moved to the drilling rig; a conveyer for moving the clamping unit from the position of rod collection to the position for connecting rods on the drilling rig, so that in said rod connection position the first rod is axially aligned with the drill string; a centering tool mounted on clamping unit by means of an elongated connector. The centering tool includes a pair of centering jaws. At least one of the jaws is movable to allow the jaws to open and close around the first rod. A portion of said jaws in closed state forms a connecting section and guide neck projecting radially outward from one end of connecting section portion for guiding the axial centering of the connecting section relative to a second rod forming the end of the drill string in order to ensure centered connection of the first and second rods within the connecting section. The clamping unit comprises a support frame mounted on the conveyor and a carriage moved axially relative to the support frame.EFFECT: reliable and fast movement of the rods, providing accurate axial centering when connecting the rods.15 cl, 10 dwg

Description

Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION

Настоящее изобретение относится к устройству для манипулирования буровыми штангами для подачи штанг к и от бурильной колонны, создаваемой посредством буровой установки. The present invention relates to a device for manipulating drill rods for supplying rods to and from a drill string created by a drilling rig.

Уровень техникиState of the art

Разведочное бурение обычно включает в себя бурение до подземных глубин, измеряемых тысячами метров. Поэтому нужно присоединять и монтировать последовательные секции трубы или штанги по мере того, как бурильную колонну продвигают в скважину.Exploratory drilling usually involves drilling to underground depths, measured in thousands of meters. Therefore, it is necessary to attach and mount consecutive sections of the pipe or rod as the drill string is advanced into the well.

Каждая буровая штанга, в зависимости от их конкретной конфигурации, может иметь вес в пределах 10-20 кг и длину приблизительно 2-3 м. Буровые штанги обычно соединяются между собой посредством резьбовых соединений с наружной и внутренней резьбой, предусмотренных на соответствующих концах штанг. Кроме того, во время бурения обычно неизбежно нужно с регулярными интервалами заменять буровое долото или другие инструменты на самом нижнем конце бурильной колонны. Данный процесс замены предусматривает извлечение всей бурильной колонны из ствола скважины, замену самой нижней части и затем повторную установку всей бурильной колонны, после чего бурение может продолжаться. На практике, и в зависимости от состояния породы, обычно осуществляется 10-20 операций извлечения на одну буровую скважину. Таким образом, необходимо манипулировать очень большим количеством буровых штанг и, в частности, снимать с транспортного или опорного средства на буровую установку, где они готовы для осевой центровки и присоединения к бурильной колонне. Обратная операция, конечно, также требуется во время извлечения колонны. Примерные системы манипулирования штангами раскрыты в US 3,043,619; GB 2334270; WO 00/65193 и WO 2011/129760.Each drill rod, depending on their specific configuration, can have a weight in the range of 10-20 kg and a length of approximately 2-3 m. Drill rods are usually interconnected by means of threaded connections with external and internal threads provided at the respective ends of the rods. In addition, during drilling, it is usually inevitable that you need to replace the drill bit or other tools at the lowest end of the drill string at regular intervals. This replacement process involves removing the entire drill string from the wellbore, replacing the lowest part, and then reinstalling the entire drill string, after which drilling can continue. In practice, and depending on the condition of the rock, typically 10-20 extraction operations are performed per well. Thus, it is necessary to manipulate a very large number of drill rods and, in particular, to remove from the transport or supporting means to the drilling rig, where they are ready for axial alignment and attachment to the drill string. The reverse operation, of course, is also required during the extraction of the column. Exemplary barbell manipulation systems are disclosed in US 3,043,619; GB 2,334,270; WO 00/65193 and WO 2011/129760.

Система манипулирования штангами обычно может содержать роботизированную руку, содержащую специальный зажим для захватывания буровых штанг. Во время операции прямого бурения роботизированная рука приспособлена забирать буровые штанги на транспортной или промежуточной опоре и помещать буровую штангу в буровую установку, после чего буровая штанга подсоединяется к уже установленной буровой штанге, чтобы удлинять бурильную колонну. Во время операции извлечения бурильной колонны, роботизированная рука приспособлена забирать отсоединенные штанги с буровой установки и возвращать их на транспортную или промежуточную опору.The boom manipulation system may typically comprise a robotic arm containing a special clamp for gripping the drill rods. During the direct drilling operation, the robotic arm is adapted to pick up the drill rods on the transport or intermediate support and place the drill rod in the drilling rig, after which the drill rod is connected to the already installed drill rod to extend the drill string. During the drill string extraction operation, the robotic arm is adapted to pick up the disconnected rods from the rig and return them to the transport or intermediate support.

Для того чтобы создать полностью автоматическую систему, которая устраняет необходимость регулярного ручного вмешательства, желательно, чтобы упомянутая система манипулирования штангами была способна присоединять и отсоединять буровую штангу к/от установленных буровых штанг. Однако резьбы, используемые во многих системах бурения, включая бурение со съемными керноприемниками и керновое бурение, обычно имеют очень малую высоту резьбы и являются слегка коническими. Если пару таких резьб сближают аксиально как попало, то, как показывает опыт, с вероятностью примерно 60% упомянутые резьбы не входят в зацепление друг с другом или зацепляются друг с другом неправильно. В обоих случаях резьбы могут повреждаться, что приводит к дополнительным расходам и работам.In order to create a fully automatic system that eliminates the need for regular manual intervention, it is desirable that said rod manipulation system be capable of attaching and disconnecting the drill rod to / from installed drill rods. However, the threads used in many drilling systems, including those with removable core receivers and core drilling, typically have very low thread heights and are slightly tapered. If a pair of such threads are brought together axially anyhow, then, as experience shows, with a probability of about 60%, the said threads do not mesh with each other or engage with each other incorrectly. In both cases, the threads can be damaged, which leads to additional costs and work.

WO 02/079603А1 раскрывает систему для автоматического присоединения буровых штанг к и от буровой установки. В данной системе по периметру штанг предусмотрены метки, так что их поворотные положения могут быть определены, таким образом обеспечивая возможность вращательного совмещения штанг для оптимального входа резьбы. Однако существующие системы такого типа не способны гарантировать центрирование, и остается риск повреждения штанг и их резьб в результате перекоса. Таким образом, существует потребность в системе манипулирования штангами для соединения буровых штанг, которая решает упомянутые проблемы. WO 02 / 079603A1 discloses a system for automatically connecting drill rods to and from a drilling rig. In this system, marks are provided around the perimeter of the rods so that their pivoting positions can be determined, thereby enabling the rods to be rotationally aligned for optimal thread entry. However, existing systems of this type are not able to guarantee centering, and there remains the risk of damage to the rods and their threads as a result of skew. Thus, there is a need for a rod manipulation system for connecting drill rods that solves the problems mentioned.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Целью настоящего изобретения является создание устройства для манипулирования штангами и, в частности, автоматизированного узла, приспособленного для надежного и быстрого перемещения штанг к бурильной колонне и обеспечения точного осевого центрирования при соединении штанг, чтобы предотвратить как повреждение резьбовых соединений штанг, так и перекос штанг, который в противном случае препятствует или задерживает процесс бурения. The aim of the present invention is to provide a device for manipulating the rods and, in particular, an automated assembly adapted to reliably and quickly move the rods to the drill string and ensure accurate axial alignment when connecting the rods, to prevent damage to the threaded connections of the rods, and the misalignment of the rods, which otherwise, it inhibits or delays the drilling process.

Упомянутые цели достигаются посредством создания устройства для манипулирования штангами, содержащего центрирующий инструмент, специально приспособленный для механического направления операции соединения, когда одну штангу добавляют к заднему концу бурильной колонны на буровой установке. Предпочтительно, упомянутый центрирующий инструмент закреплен на зажимном узле штанги посредством удлиненной балки, которая специально приспособлена подвергаться воздействию от относительно малых до умеренных поперечных отклонений от продольной оси буровой колонны и/или присоединяемой штанги. Таким образом, упомянутый центрирующий инструмент приспособлен для самонаведения, когда перемещаемую штангу приводят в касательный контакт с буровой колонной для точного центрирования резьбовых соединений. Упомянутый центрирующий инструмент также содержит соединительный участок или муфту с внутренним диаметром, точно соответствующим внешнему диаметру штанг, чтобы обеспечить направляющий канал для принудительного точного осевого центрирования. These goals are achieved by creating a device for manipulating the rods, containing a centering tool, specially adapted for the mechanical direction of the connection operation, when one rod is added to the rear end of the drill string on the drilling rig. Preferably, said centering tool is fixed to the rod clamping assembly by means of an elongated beam which is specially adapted to be subjected to relatively small to moderate lateral deviations from the longitudinal axis of the drill string and / or the connecting rod. Thus, said centering tool is adapted for homing when the movable rod is brought into tangential contact with the drill string to precisely center the threaded joints. Said centering tool also comprises a connecting portion or sleeve with an inner diameter that exactly matches the outer diameter of the rods to provide a guide channel for forcing precise axial alignment.

Посредством соответствующего средства управления, обычно применяемого в данной области техники, устройство для манипулирования штангами настоящего изобретения обеспечивает автоматизированную систему манипулирования для надежного соединения штанг бурильной колонны с необходимым небольшим или без ручного вмешательства.By means of an appropriate control tool commonly used in the art, the rod manipulation device of the present invention provides an automated manipulation system for reliably connecting the drill rod with little or no manual intervention.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения создано устройство для манипулирования буровыми штангами для подачи штанг к и от бурильной колонны, создаваемой посредством буровой установки, причем упомянутое устройство содержит: зажимной узел, содержащий штангозахваты для вхождения в контакт и удерживания первой штанги, перемещаемой к буровой установке; транспортер для перемещения упомянутого зажимного узла из положения сбора штанг в положение соединения штанг на буровой установке, так что в упомянутом положении соединения штанг первая штанга аксиально центрируется с бурильной колонной; причем упомянутое устройство отличается: центрирующим инструментом, закрепленным на упомянутом зажимном узле посредством удлиненного соединителя, причем упомянутый центрирующий инструмент содержит пару центрирующих кулачков, причем по меньшей мере один из упомянутых кулачков выполнен с возможностью перемещения, чтобы позволять упомянутым кулачкам размыкаться и замыкаться вокруг первой штанги; причем часть упомянутых кулачков в замкнутом положении образуют соединительный участок и направляющую горловину, выступающую радиально наружу из одного конца части упомянутого соединительного участка, для направления осевого центрирования упомянутого соединительного участка относительно второй штанги, образующей конец бурильной колонны, чтобы обеспечить центрированное соединение первой и второй штанг в упомянутом соединительном участке.In accordance with a first aspect of the present invention, there is provided a device for manipulating drill rods for supplying rods to and from a drill string created by a drilling rig, said device comprising: a clamping assembly comprising grippers for engaging and holding a first rod to be moved to the drilling rig ; a conveyor for moving said clamping assembly from a rod collection position to a rod connection position on the rig, so that in said rod connection position, the first rod is axially centered with the drill string; moreover, said device is distinguished by: a centering tool fixed to said clamping assembly by means of an elongated connector, said centering tool comprising a pair of centering cams, at least one of said cams being movable to allow said cams to open and close around the first rod; moreover, part of the said cams in the closed position form a connecting section and a guide neck protruding radially outward from one end of a part of said connecting section to axially center said connecting section relative to the second rod forming the end of the drill string to provide a centered connection of the first and second rods in said connecting section.

В описании ссылка на «удлиненный соединитель» включает средство для механического прикрепления центрирующего инструмента к зажимному узлу так, что центрирующий инструмент по существу прочно закреплен на зажимном узле, так чтобы опираться на зажимной узел с возможностью поперечных отклонений радиально наружу от продольной оси бурильной колонны. Упомянутый удлиненный соединитель может представлять собой балку или множество соединительных элементов, которые аксиально выступают из зажимного узла. In the description, a reference to an “elongated connector” includes means for mechanically attaching the centering tool to the clamping assembly such that the centering tool is substantially firmly fixed to the clamping assembly so as to lean against the clamping assembly radially outwardly from the longitudinal axis of the drill string. Said elongated connector may be a beam or a plurality of connecting elements that protrude axially from the clamping assembly.

Предпочтительно, каждый кулачок поворотно закреплен на опорной раме и способен поворачиваться так, чтобы перемещаться радиально к и от продольной оси, проходящей через упомянутый соединительный участок.Preferably, each cam is pivotally mounted on a support frame and is capable of pivoting so as to move radially to and from a longitudinal axis passing through said connecting portion.

Необязательно, упомянутый соединительный участок содержит муфту, содержащую обращенную радиально внутрь поверхность с по существу цилиндрическим профилем. Необязательно, упомянутый соединительный участок может содержать множество элементов, размещенных вокруг продольной оси, так чтобы обеспечить изолированную зону соединения, в которой концы первой и второй штанг могут размещаться и удерживаться во время соединения. Предпочтительно, упомянутый соединительный участок содержит участок внутренней полости, имеющий ширину или диаметр, который немного больше внешнего диаметра штанг.Optionally, said connecting portion comprises a sleeve comprising a radially inwardly facing surface with a substantially cylindrical profile. Optionally, said connecting portion may comprise a plurality of elements arranged around a longitudinal axis so as to provide an isolated connection zone in which the ends of the first and second rods can be placed and held during connection. Preferably, said connecting portion comprises an inner cavity portion having a width or diameter that is slightly larger than the outer diameter of the rods.

Предпочтительно, упомянутая направляющая горловина содержит обращенную радиально внутрь поверхность, имеющую по существу конический профиль. В соответствии с другим аспектом, упомянутая направляющая горловина может содержать любой выступ или удлинение от упомянутого соединительного участка, которое является наклонным или скошенным радиально наружу от упомянутой внутренней поверхности соединительного участка, так чтобы образовать наклонную поверхность для контакта концевой штанги бурильной колонны. Таким образом, упомянутый центрирующий инструмент приспособлен для самоцентрирования с продольной осью бурильной колонны за счет сгибания или прогиба упомянутого удлиненного соединителя. Таким образом, осевую длину горловины и угол ориентации внутренней наклонной поверхности можно выбрать так, чтобы гарантировать, что упомянутый центрирующий инструмент будет всегда «ухватываться» за концевую штангу бурильной колонны и будет направляться посредством нее, обеспечивая точное центрирование.Preferably, said guide neck comprises a radially inwardly facing surface having a substantially conical profile. In accordance with another aspect, said throat may include any protrusion or extension from said connecting portion that is inclined or beveled radially outward from said inner surface of the connecting portion so as to form an inclined surface for contacting the drill rod end shaft. Thus, said centering tool is adapted for self-centering with the longitudinal axis of the drill string by bending or deflection of said elongated connector. Thus, the axial length of the throat and the orientation angle of the inner inclined surface can be chosen so as to ensure that the said centering tool will always “grab” the end rod of the drill string and be guided by it, ensuring accurate centering.

Предпочтительно, упомянутое устройство дополнительно содержит приводной исполнительный механизм, закрепленный на упомянутой опорной раме и соединенный с по меньшей мере одним из упомянутых кулачков, чтобы осуществлять перемещение упомянутого по меньшей мере одного кулачка для размыкания и замыкания вокруг первой штанги.Preferably, said device further comprises a drive actuator fixed to said support frame and connected to at least one of said cams to move said at least one cam to open and close around the first rod.

Предпочтительно, первый конец упомянутого удлиненного соединителя закреплен на упомянутом зажимном узле, а второй конец упомянутого удлиненного соединителя закреплен на упомянутом центрирующем инструменте, причем упомянутый соединитель приспособлен для сгибания в плоскости поперек (поперечной/перпендикулярной) своей продольной оси, так что упомянутый центрирующий инструмент выполнен с возможностью поперечных боковых отклонений относительно упомянутого зажимного узла.Preferably, the first end of said elongated connector is fixed to said clamping unit, and the second end of said elongated connector is fixed to said centering tool, said connector being adapted to bend in a plane transverse to (transverse / perpendicular) its longitudinal axis, so that said centering tool is made with the possibility of lateral lateral deviations relative to said clamping unit.

Предпочтительно, упомянутые штангозахваты содержат: пару кулачков, зажимающих штангу, выполненных с возможностью перемещения для размыкания и замыкания вокруг первой штанги; и захватывающие валики, закрепленные на упомянутых кулачках, для вхождения в контакт и удерживания первой штанги в зафиксированном положении в зажимном узле.Preferably, said grippers comprise: a pair of cams clamping the rod, movable to open and close around the first rod; and gripping rollers mounted on said cams for contacting and holding the first rod in a fixed position in the clamping unit.

Предпочтительно, упомянутое устройство дополнительно содержит по меньшей мере один датчик, закрепленный на упомянутом зажимном узле, для регистрации изменения осевого перемещения между зажимным узлом и первой штангой. Необязательно, упомянутый датчик может содержать датчик, приспособленный для осуществления контроля осевого положения салазок относительно рамы. Необязательно, упомянутый датчик закреплен на салазках или раме упомянутого зажимного узла и приспособлен для осуществления контроля перемещения участка альтернативной рамы или салазок. Необязательно, упомянутый датчик может содержать любое одно или комбинацию из перечисленного ниже: оптического датчика; лазера; камеры; датчика давления, приспособленного для определения изменений в гидравлических или пневматических давлениях, связанных с гидравлическими или пневматическими средствами, соединенными с рамой и/или салазками; акселерометра; звукового датчика; электронного датчика; электрического датчика; магнитного датчика. Необязательно, упомянутый датчик может содержать средства для осуществления контроля гидравлического или пневматического давления исполнительного механизма, который связан с поддержанием или регулированием осевого продольного перемещения салазок или рамы зажимного узла.Preferably, said device further comprises at least one sensor fixed to said clamping assembly for detecting changes in axial movement between the clamping assembly and the first rod. Optionally, said sensor may comprise a sensor adapted to monitor the axial position of the slide relative to the frame. Optionally, said sensor is mounted on a slide or frame of said clamping assembly and is adapted to monitor the movement of a portion of an alternative frame or slide. Optionally, said sensor may comprise any one or a combination of the following: an optical sensor; a laser; cameras a pressure sensor adapted to detect changes in hydraulic or pneumatic pressures associated with hydraulic or pneumatic means connected to the frame and / or slide; accelerometer; sound sensor; electronic sensor; electrical sensor; magnetic sensor. Optionally, said sensor may comprise means for monitoring the hydraulic or pneumatic pressure of the actuator, which is associated with maintaining or adjusting axial longitudinal movement of the slide or frame of the clamping unit.

Предпочтительно, упомянутый соединительный участок расположен по существу коаксиально с кулачками, захватывающими штангу, так что первый участок первой штанги может быть зажат посредством кулачков, зажимающих штангу, а второй участок первой штанги может быть окружен посредством центрирующих кулачков. Необязательно, упомянутая направляющая горловина выступает радиально наружу из обращенной внутрь поверхности упомянутого соединительного участка под углом, находящимся в пределах 5-20°. Предпочтительно, упомянутая направляющая горловина выступает радиально под углом, находящимся в пределах 5-15°, 6-14° или 8-12°.Preferably, said connecting portion is arranged substantially coaxially with the cams gripping the bar, so that the first section of the first bar can be gripped by cams clamping the bar, and the second section of the first bar can be surrounded by centering cams. Optionally, said guide neck protrudes radially outward from an inwardly facing surface of said connecting portion at an angle in the range of 5-20 °. Preferably, said guide neck extends radially at an angle within the range of 5-15 °, 6-14 ° or 8-12 °.

В соответствии с вторым аспектом настоящего изобретения, создан автоматизированный узел для манипулирования буровыми штангами, содержащий устройство, которое описано в данном документе, содержащее средства для управления перемещением зажимного узла и центрирующего инструмента относительно бурильной колонны в соответствии с автоматизированной последовательностью действий.In accordance with a second aspect of the present invention, there is provided an automated assembly for manipulating drill rods comprising a device as described herein comprising means for controlling the movement of the clamping assembly and centering tool relative to the drill string in accordance with an automated sequence of operations.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения создана буровая установка для подачи штанг к и от бурильной колонны, содержащая: раму подачи; вращатель, закрепленный на упомянутой раме подачи, для сообщения вращательного движения бурильной колонне; штангодержатель, закрепленный на упомянутой раме подачи, для закрепления концевого участка бурильной колонны, причем упомянутый вращатель выполнен с возможностью осевого перемещения к и от упомянутого штангодержателя; и устройство для манипулирования штангами, которое описано в данном документе, приспособленное для перемещения штанг между положением сбора штанг и положением соединения штанг, для осевого центрирования первой штанги с концевой штангой бурильной колонны, удерживаемой посредством упомянутого штангодержателя и/или упомянутого вращателя.In accordance with a third aspect of the present invention, there is provided a drilling rig for supplying rods to and from a drill string, comprising: a feeding frame; a rotator mounted on said feed frame for communicating rotational movement of the drill string; a rod holder mounted on said feed frame for securing an end portion of the drill string, said rotator being axially movable to and from said rod holder; and a rod manipulation device as described herein adapted to move the rods between the rod collection position and the rod connection position, for axially centering the first rod with the drill rod end rod held by said rod holder and / or said rotator.

В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения создан способ подачи штанг к бурильной колонне, создаваемой посредством буровой установки, причем упомянутый способ включает: вхождение в контакт и удерживание первого участка первой штанги в положении сбора штанг посредством штангозахватов, расположенных на зажимном узле; перемещение упомянутого зажимного узла из положения сбора штанг в положение соединения штанг, в котором первая штанга центрируется по существу аксиально с второй штангой, образующей концевую часть бурильной колонны; причем упомянутый способ отличается: захватыванием второго участка первой штанги, аксиально отделенного от упомянутого первого участка, посредством центрирующего инструмента, содержащего пару центрирующих кулачков, которые замыкаются вокруг упомянутого второго участка и поддерживают первую штангу посредством соединительного участка, образованного посредством упомянутых кулачков, во время этапа контактирования первого участка штанги со штангозахватами; осевым продвижением первой штанги к второй штанге; и направлением зацепления второй штанги в пределах упомянутого соединительного участка через направляющую горловину, расширенную радиально наружу от части упомянутого соединительного участка, для размещения первой и второй штанг по меньшей мере частично в пределах упомянутого соединительного участка в осевом центрировании для соединения.In accordance with a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for supplying rods to a drill string produced by a drilling rig, said method comprising: contacting and holding a first portion of a first rod in a rod collection position by means of rods located on a clamping assembly; moving said clamping assembly from the rod assembly position to the rod connection position, in which the first rod is centered substantially axially with the second rod forming the end portion of the drill string; moreover, said method differs: by gripping the second section of the first rod axially separated from said first section, by means of a centering tool comprising a pair of centering cams which are closed around said second section and support the first rod by means of a connecting section formed by said cams during the contacting step the first section of the boom with boom grips; axial advancement of the first rod to the second rod; and the direction of engagement of the second rod within said connecting portion through a throat extending radially outward from a portion of said connecting portion to accommodate the first and second rods at least partially within said connecting portion in axial alignment for coupling.

Необязательно, упомянутый этап вхождения в контакт и удерживания первого участка первой штанги включает захватывание первого участка посредством пары захватывающих кулачков, которые замыкаются вокруг первой штанги. Предпочтительно, упомянутый способ дополнительно включает синхронизацию замыкания захватывающих кулачков и центрирующих кулачков вокруг штанги. Optionally, said step of contacting and holding the first portion of the first rod includes gripping the first portion with a pair of gripping cams that are closed around the first rod. Preferably, said method further includes synchronizing the closure of the gripping cams and the centering cams around the boom.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Конкретная реализация настоящего изобретения будет описана ниже, только в качестве примера и со ссылкой на прилагаемые чертежи, из которых:A specific implementation of the present invention will be described below, only as an example and with reference to the accompanying drawings, of which:

Фиг.1 представляет собой первый перспективный вид сбоку буровой установки, стеллажа для хранения штанг и устройства для манипулирования штангами, расположенного между буровой установкой и стеллажом, в соответствии с конкретной реализацией настоящего изобретения; Figure 1 is a first perspective side view of a drilling rig, a rack for storing rods and a device for manipulating rods located between the rig and the rack, in accordance with a specific implementation of the present invention;

Фиг.2 представляет собой второй перспективный вид сбоку устройства для манипулирования штангами, показанного на фиг.1;Figure 2 is a second perspective side view of the device for manipulating the rods shown in figure 1;

Фиг.3 представляет собой дополнительный перспективный вид устройства для манипулирования штангами, показанного на фиг.2;Figure 3 is an additional perspective view of the device for manipulating the rods shown in figure 2;

Фиг.4 представляет собой вертикальный вид сбоку устройства для манипулирования штангами, показанного на фиг.3, захватывающего штангу, которая должна быть соединена с бурильной колонной;Figure 4 is a vertical side view of the device for manipulating the rods shown in figure 3, capturing the rod, which should be connected to the drill string;

Фиг.5 представляет собой перспективный вид спереди центрирующего инструмента, образующего часть устройства для манипулирования штангами, показанного на фиг.4;FIG. 5 is a perspective front view of a centering tool forming part of the bar manipulator apparatus shown in FIG. 4;

Фиг.6 представляет собой перспективный вид сзади центрирующего инструмента, показанного на фиг.5;Fig.6 is a perspective rear view of the centering tool shown in Fig.5;

Фиг.7 представляет собой перспективный вид одного кулачка центрирующего инструмента, показанного на фиг.6, в соответствии с конкретной реализацией настоящего изобретения;7 is a perspective view of one cam of the centering tool shown in FIG. 6, in accordance with a specific implementation of the present invention;

Фиг.8 представляет собой вид спереди центрирующего инструмента, показанного на фиг.6, в положении без захвата штанги;Fig.8 is a front view of the centering tool shown in Fig.6, in a position without gripping the rod;

Фиг.9 представляет собой вид спереди центрирующего инструмента, показанного на фиг.8, в положении захвата штанги;Fig.9 is a front view of the centering tool shown in Fig.8, in the gripping position of the rod;

Фиг.10 представляет собой схематический вид в поперечном разрезе части кулачка центрирующего инструмента, показанного на фиг.9, при соединении концов двух штанг.FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a cam part of the centering tool shown in FIG. 9 when connecting the ends of two rods.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретенияDetailed Description of a Preferred Embodiment

Устройство настоящего изобретения специально приспособлено для обеспечения автоматизированной подачи буровых штанг к бурильной колонне на буровой установке. Данное устройство предназначено для компенсирования довольно грубых допусков при центрировании и добавлении штанг к бурильной колонне, при этом роботизированная рука устройства для манипулирования штангами выполнена с возможностью перемещения для подбора штанги из положения хранения и перемещения штанги в положение соединения. В частности, во время бурения штанга, зажатая посредством вращателя на установке, осуществляет небольшое колебательное движение, обусловленное внешними условиями во время бурения и довольно ограниченной точности захвата упомянутого вращателя. Таким образом, точное положение концевой штанги бурильной колонны становится смещенным от «реального» осевого центра. Кроме того, отклонение также создается роботизированной рукой и системой манипулирования при перемещении штанги из положения хранения в положение соединения. Система манипулирования штангами настоящего изобретения предусматривает механический узел, который значительно облегчает центрирование при соединении штанг бурильной колонны с учетом допусков в механических элементах и внешних условий, в которых используется буровая установка.The device of the present invention is specifically adapted to provide automated feed of drill rods to a drill string in a drilling rig. This device is designed to compensate for rather rough tolerances when centering and adding rods to the drill string, while the robotic arm of the device for manipulating rods is movable to select the rod from the storage position and move the rod to the connection position. In particular, during drilling, the rod, clamped by means of a rotator at the installation, performs a small oscillatory movement due to external conditions during drilling and the rather limited accuracy of capture of the said rotator. Thus, the exact position of the drill rod end rod becomes offset from the “real” axial center. In addition, the deflection is also created by the robotic arm and the manipulation system when moving the rod from the storage position to the connection position. The rod manipulation system of the present invention provides a mechanical assembly that greatly facilitates centering when connecting the drill string, taking into account the tolerances in the mechanical elements and the environmental conditions in which the drilling rig is used.

Ссылаясь на фиг.1, буровая установка 101 содержит раму 111 подачи, содержащую первый передний конец 114 и второй задний конец 112 относительно бурильной колонны. Штангодержатель 108 закреплен на первом конце 114 и приспособлен для удерживания концевой штанги 100 бурильной колонны, которая обычно проходит в направлении вниз в глубокой буровой скважине. Вращатель 107 закреплен на раме 111 позади держателя 108 и содержит обычные элементы, приспособленные для вращения штанг 100 бурильной колонны во время операции бурения. Рама 111 подачи закреплена на наклонном блоке 105, приспособленном для регулирования угла бурения установки 101. Как показано, бурильная колонна 100 проходит по оси х, при этом операция штангового бурения предусматривает вращательное продвижение буровых штанг 100 в направлении F, а извлечение штанг из ствола скважины осуществляется в противоположном направлении R, и то и другое по оси х. Referring to FIG. 1, a drilling rig 101 comprises a feed frame 111 comprising a first front end 114 and a second rear end 112 relative to the drill string. A bar holder 108 is mounted on the first end 114 and is adapted to hold the end rod 100 of the drill string, which typically extends downward in a deep borehole. The rotator 107 is mounted on the frame 111 behind the holder 108 and contains conventional elements adapted to rotate the drill string 100 during a drilling operation. The feed frame 111 is mounted on an inclined block 105 adapted to control the drilling angle of the installation 101. As shown, the drill string 100 extends along the x axis, while the rod drilling operation involves rotating the drill rods 100 in the F direction, and the rods are removed from the wellbore in the opposite direction of R, both on the x axis.

Штанги, подаваемые на буровую установку 101, доставляют и временно хранят на стеллаже 103 для хранения штанг, расположенном рядом с установкой 101. Устройство для манипулирования штангами, показанное в целом ссылочной позицией 102, расположено между стеллажом 103 и установкой 101 и приспособлено для перемещения штанг между стеллажом 103 и установкой 101 во время любой операции бурения и извлечения. Ссылаясь на фиг.1 и 2, устройство 102 для манипулирования штангами содержит направляющую раму 110, которая закрепляет транспортировочный узел в виде роботизированной руки 109, поворотно закрепленной в обоих ее концах. Зажимной узел 106 закреплен в одном конце руки 109 и приспособлен для захвата и удерживания штанг, перемещаемых между стеллажом 103 и установкой 101. Для обеспечения эффективного соединения штанг и предотвращения перекоса и повреждения во время соединения, устройство 102 для манипулирования штангами дополнительно содержит центрирующий инструмент 104, предназначенный для захвата концевой штанги бурильной колонны 100 и совмещения бурильной колонны с «транспортируемой» штангой, взятой со стеллажа 103. The rods supplied to the drilling rig 101 are delivered and temporarily stored on the rod storage rack 103 adjacent to the rig 101. The rod manipulator device, shown generally at 102, is located between the rack 103 and the rig 101 and is adapted to move the rods between rack 103 and installation 101 during any drilling and extraction operation. Referring to figures 1 and 2, the device 102 for manipulating the rods contains a guide frame 110, which secures the transport unit in the form of a robotic arm 109, pivotally mounted at both ends. The clamping unit 106 is fixed at one end of the arm 109 and is adapted to capture and hold the rods moved between the rack 103 and the installation 101. To ensure effective connection of the rods and prevent misalignment and damage during the connection, the device for manipulating the rods 102 further comprises a centering tool 104, designed to capture the end rod of the drill string 100 and the combination of the drill string with a "transported" rod taken from the rack 103.

Ссылаясь на фиг.2-4, приводной рычаг 109 прикреплен в первом конце 203 к направляющей раме 110 посредством исполнительного механизма 200 (обычно представляющего собой гидравлический, пневматический или электрический двигатель), чтобы обеспечить поворотное вращение рычага 109 вокруг оси 213 поворота. Зажимной узел 106 закреплен на втором конце 202 рычага 109. Соответствующий исполнительный механизм 201 расположен на конце 202 для осуществления вращательного закрепления зажимного узла 106 на рычаге 109 с возможностью вращения вокруг оси 214 поворота. Кроме того, предусмотрено средство приведения в движение и перемещения (не показанное), так что рычаг 109 способен осуществлять прямолинейное перемещение вдоль направления рамы 110 для регулирования относительного положения штанги во время транспортировки к установке 101 в направлении оси х как во время операции соединения, так и во время операции отсоединения. Посредством поворотного закрепления зажимного узла 106 на раме 110 (посредством рычага 109) и упомянутого средства осевого перемещения (не показанного) зажимной узел 106 приспособлен для перемещения в направлениях х, y и z во время транспортировки штанг. Referring to FIGS. 2-4, the drive arm 109 is attached at the first end 203 to the guide frame 110 via an actuator 200 (typically a hydraulic, pneumatic or electric motor) to provide pivoting rotation of the arm 109 about the pivot axis 213. The clamping assembly 106 is fixed at the second end 202 of the lever 109. A corresponding actuator 201 is located at the end 202 for rotationally securing the clamping assembly 106 on the lever 109 to rotate about the axis 214 of rotation. In addition, a driving and moving means (not shown) is provided, so that the lever 109 is capable of linear movement along the direction of the frame 110 to adjust the relative position of the rod during transport to the installation 101 in the x-axis direction both during the joint operation and during the disconnect operation. By pivotally securing the clamping assembly 106 to the frame 110 (by means of a lever 109) and said axial displacement means (not shown), the clamping assembly 106 is adapted to move in the x, y, and z directions during transport of the rods.

Зажимной узел 106 содержит опорную раму 205, прикрепленную к рычагу 109, и подвижные салазки 206, выполненные с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно рамы 205 в направлениях F и R во время операций соединения и отсоединения штанг. В частности, зажимной узел 106 содержит пару параллельных валов 207, которые проходят продольно в направлении оси х между передней и задней частями рамы 205, причем самая передняя сторона рамы 205 расположена ближе всего к бурильной колонне 100 (и держателю 108 и вращателю 107). Салазки 206 содержат пару муфт 215, приспособленных для скольжения соответственно по каждому валу 207, так что салазки 206 подвешены в «плавающем» положении относительно рамы 205. Первая пара задних пружин 209 смещения закреплены в заднем конце каждого вала 207, и соответствующая пара передних пружин 210 смещения расположены в переднем конце каждого вала 207 аксиально каждого конца каждой муфты 215. Таким образом, передние пружины 210 обеспечивают сопротивление смещением перемещению салазок 106 вперед в направлении F, а задние пружины 209 обеспечивают сопротивление осевому перемещению салазок 206 в обратном направлении R. The clamping assembly 106 comprises a support frame 205 attached to the arm 109 and movable slides 206 that are reciprocally movable relative to the frame 205 in the directions F and R during the joining and disconnecting operations of the rods. In particular, the clamping assembly 106 comprises a pair of parallel shafts 207 that extend longitudinally in the x-axis between the front and rear parts of the frame 205, the front side of the frame 205 being closest to the drill string 100 (and holder 108 and rotator 107). The slide 206 comprises a pair of couplings 215 adapted to slide respectively on each shaft 207, so that the slide 206 is suspended in a “floating” position relative to the frame 205. The first pair of rear bias springs 209 are fixed at the rear end of each shaft 207, and the corresponding pair of front springs 210 displacements are located at the front end of each shaft 207 axially at each end of each clutch 215. Thus, the front springs 210 provide resistance to the displacement of the slide 106 forward in the F direction, and the rear springs 209 provide resistance tance axial movement of the carriage 206 in the reverse direction R.

Зажимной узел 106 дополнительно содержит чувствительное устройство слежения за перемещением, обозначенное в целом ссылочной позицией 208, закрепленное на участке рамы 205 и салазок 206. Таким образом, посредством чувствительного устройства 208 можно осуществлять контроль относительного осевого положения салазок 206 (в направлении оси х) относительно рамы 205.The clamping assembly 106 further comprises a sensitive movement tracking device, indicated generally by reference numeral 208, fixed to a portion of the frame 205 and the slide 206. Thus, by means of the sensing device 208, the relative axial position of the slide 206 (in the x-axis direction) relative to the frame can be monitored 205.

Удлиненная балка 113 содержит первый конец 216, прочно закрепленный на центрирующем инструменте 104, и второй конец 217, прочно прикрепленный к участку зажимной рамы 205. Балка 113 содержит физическую и механическую конфигурацию и, в частности, внешний диаметр, приспособленные позволять центрирующему инструменту 104 отклоняться в сторону в плоскости y-z во время соединения штанг в направлении F. Центрирующий инструмент 104 содержит пару подвижных кулачков 204, поворотно закрепленных на опорной раме 212, участок которой непосредственно соединен с концом 216 балки. Исполнительный механизм 211 (обычно гидродвигатель, пневмодвигатель или электродвигатель) закреплен на раме 212 для осуществления поворотного перемещения кулачков 204 в плоскости y-z. В «замкнутом» положении кулачки 204 образуют внутреннюю соединительную камеру 303, в которой размещаются концевые участки соответствующей концевой штанги 100 бурильной колонны и штанги 400, которая должна быть добавлена к концу бурильной колонны и перенесена при помощи зажимного узла 106. The elongated beam 113 comprises a first end 216 firmly fixed to the centering tool 104 and a second end 217 firmly attached to the portion of the clamping frame 205. The beam 113 comprises a physical and mechanical configuration and, in particular, an outer diameter, adapted to allow the centering tool 104 to deviate in side in the yz plane during the connection of the rods in the direction F. The centering tool 104 contains a pair of movable cams 204, rotatably mounted on a support frame 212, a portion of which is directly connected to the end 216 beams. An actuator 211 (typically a hydraulic motor, air motor, or electric motor) is mounted on the frame 212 to rotate the cams 204 in the y-z plane. In the “closed” position, the cams 204 form an inner connecting chamber 303 in which end portions of the corresponding end rod 100 of the drill string and rod 400, which must be added to the end of the drill string and transferred using the clamping unit 106, are placed.

Зажимной узел 106 содержит пару противоположных штангозахватов в виде зажимных кулачков 301, 302. Каждый кулачок 301, 302 выполнен с возможностью перемещения в боковом поперечном направлении от оси х, соответствующем преимущественно перемещению в направлении, перпендикулярном оси y. Каждый кулачок 301, 302 содержит пару захватывающих валиков 403 кулачков (размещенных выше и ниже), поворотно закрепленных на соответствующих осях (не показанных), в результате штанга 400 зажимается посредством узла 106 посредством фрикционного контакта с четырьмя валиками 403, так чтобы зажимать штангу между противоположными кулачками 310, 302. Каждый кулачок 301, 302 содержит соответствующий исполнительный механизм 300 (представляющий собой гидродвигатель, пневмодвигатель или электродвигатель), закрепленный в заднем конце каждого кулачка 301, 302. Каждый исполнительный механизм 300 способен сообщать поворотное движение по меньшей мере одному валику 403, через зубчатые колеса 404, установленные на соответствующих приводных валах (не показанных) каждого исполнительного механизма 300, так чтобы осуществлять вращение штанги 400 относительно штанги 100. Кроме того, дополнительный исполнительный механизм (не показанный) закреплен на салазках 206 и приспособлен для осуществления размыкания и замыкания соответствующих кулачков 301, 302 вокруг штанги 115.The clamping unit 106 comprises a pair of opposing grippers in the form of clamping cams 301, 302. Each cam 301, 302 is configured to move laterally in the transverse direction from the x axis, corresponding mainly to the movement in the direction perpendicular to the y axis. Each cam 301, 302 contains a pair of cam cam rollers 403 (located above and below) pivotally mounted on respective axes (not shown), as a result of the rod 400 being gripped by the assembly 106 by frictional contact with the four rollers 403 so as to clamp the rod between the opposite cams 310, 302. Each cam 301, 302 contains a corresponding actuator 300 (which is a hydraulic motor, air motor or electric motor), mounted at the rear end of each cam 301, 302. Each the actuator 300 is capable of imparting pivoting motion to at least one roller 403 through gears 404 mounted on respective drive shafts (not shown) of each actuator 300 so as to rotate the rod 400 relative to the rod 100. In addition, an additional actuator ( not shown) is mounted on the slide 206 and is adapted to open and close the respective cams 301, 302 around the rod 115.

Датчик 208 перемещения приспособлен для осуществления контроля относительного осевого положения (в направлении оси х) салазок 206 относительно рамы 205. Это достигается посредством первой части 401 датчика, закрепленной на участке салазок 206, и второй части 402 датчика, закрепленной на раме 205. Когда штанга 400 зажата по существу прочно посредством салазок 206, любое осевое перемещение штанги 300 относительно рамы 205 определяется посредством чувствительного устройства 401, 402 перемещения или длины. Такое чувствительное устройство и его относительное установочное положение полезно как во время операции соединения, так и во время операции отсоединения для выдачи сигналов обратной связи в автоматизированный блок управления (не показанный) и определения надлежащего соединения и отсоединения штанг 100, 400.The displacement sensor 208 is adapted to monitor the relative axial position (in the x-axis direction) of the slide 206 relative to the frame 205. This is achieved by the first sensor part 401 fixed to the slide section 206 and the second sensor part 402 fixed to the frame 205. When the rod 400 clamped substantially firmly by means of the slide 206, any axial movement of the rod 300 relative to the frame 205 is determined by the sensitive movement device 401, 402 or length. Such a sensitive device and its relative mounting position are useful both during the join operation and during the disconnect operation to provide feedback signals to the automated control unit (not shown) and determine the proper connection and disconnection of the rods 100, 400.

Функция центрирующего инструмента 104 двойная. Прежде всего, основной функцией является обеспечение направленного соединения между штангами 100 и 400, а дополнительной функцией является обеспечение дополнительной опоры для штанги 400 во время транспортировки между стеллажом 103 и установкой 101. Поскольку подбор штанги 400 со стеллажа 103 обычно предусматривает приближение зажимного узла 106 к штанге 400 сверху в направлении оси z, центрирующий инструмент 104 должен также содержать кулачковое устройство (соответствующее зажимным кулачкам 301, 302), чтобы обеспечить захват штанги 400 обоими узлами 104, 106 одновременно. Поэтому исполнительный механизм 211 кулачка центрирующего инструмента синхронизирован с исполнительными механизмами зажимных кулачков (не показанными), так что размыкание и замыкание центрирующих кулачков 204 осуществляется одновременно с соответствующим размыканием и замыканием зажимных кулачков 301, 302. The function of the centering tool 104 is double. First of all, the main function is to provide directional connection between the rods 100 and 400, and an additional function is to provide additional support for the rod 400 during transport between the rack 103 and the installation 101. Since the selection of the rod 400 from the rack 103 usually involves the closure of the clamping unit 106 to the rod 400 from above in the z-axis direction, the centering tool 104 should also comprise a cam device (corresponding to the clamping jaws 301, 302) to allow the boom 400 to be gripped by both nodes 104, 10 6 at the same time. Therefore, the cam actuator 211 of the centering tool is synchronized with the clamping cam actuators (not shown), so that the centering jaws 204 are opened and closed simultaneously with the jaws 301, 302 correspondingly opened and closed.

Исполнительный механизм 211 центрирующего инструмента обеспечивает приведение в движение поворотных кулачков 204 в плоскости y-z посредством ряда зубчатых колес 502, установленных на раме 212. Каждый кулачок 204 содержит одну половину, содержащую преимущественно цилиндрический корпус 700, имеющий ось, по существу центрированную с осью х. Крепежный фланец 701 проходит из корпуса 700 перпендикулярно (в направлении оси z) и вверх. Отверстие 702 проходит через фланец 701 в направлении оси х для размещения закрепляющего пальца 503, закрепленного в свою очередь на раме 212. Таким образом, каждый кулачок 204 выполнен с возможностью поворотного перемещения вокруг пальца 503, так чтобы осуществлять размыкание и замыкание вокруг оси х, соответствующей продольной оси штанги 400. The centering tool actuator 211 enables the rotary cams 204 to be driven in the y-z plane by a series of gears 502 mounted on the frame 212. Each cam 204 comprises one half comprising a predominantly cylindrical body 700 having an axis substantially centered with the x axis. The mounting flange 701 extends from the housing 700 perpendicularly (in the z-axis direction) and upward. An opening 702 extends through the flange 701 in the x-axis direction to accommodate the fastening finger 503, which is in turn secured to the frame 212. Thus, each cam 204 is rotatable around the finger 503 so as to open and close around the x axis corresponding to the longitudinal axis of the rod 400.

Как показано на фиг.7 и 10, внутренний профиль каждой корпусной части специально приспособлен для обеспечения требуемого сопряжения между соединяющимися концами штанг 100 и 400. В частности, каждая штанга 100, 400 содержит первое соответствующее резьбовое соединение с наружной резьбой, предусмотренное в первом конце, и соответствующее резьбовое соединение с внутренней резьбой, предусмотренное во втором, противоположном конце. Внутренняя камера 303, которая образована посредством замкнутых кулачков 204, соответственно содержит участок 706 муфты, содержащий внутреннюю поверхность с конфигурацией 501 цилиндрической формы. As shown in FIGS. 7 and 10, the inner profile of each body portion is specially adapted to provide the required mating between the connecting ends of the rods 100 and 400. In particular, each rod 100, 400 comprises a first corresponding threaded connection with an external thread provided at the first end, and a corresponding threaded connection with an internal thread provided at the second, opposite end. The inner chamber 303, which is formed by closed cams 204, respectively, contains a section 706 of the clutch containing the inner surface with a configuration 501 of a cylindrical shape.

Муфта 706 содержит первый, самый передний конец 703 и второй, самый задний конец 704 относительно положения бурильной колонны 100. Продольная ось муфты 706 расположена коаксиально с продольной осью бурильной колонны 100, когда устройство 102 для манипулирования штангами размещают на установке 101, чтобы обеспечить соединение между штангами 100, 400. Корпус 700 кулачка дополнительно содержит участок 707 горловины, продолжающийся из первого конца 703 муфты 706. Обращенная внутрь поверхность 500 горловины 707 расширена радиально наружу от продольной оси муфты 706 и цилиндрической поверхности 501. В соответствии с конкретной реализацией, поверхность 500 продолжается радиально наружу из поверхности 501 под углом, находящимся в пределах 8-15°. Осевая длина участка 707 горловины по существу составляет третью часть осевой длины муфты 706. Таким образом, диаметр или ширина отверстия во внутреннюю камеру 303, которая образована посредством «замкнутых» кулачков 204, в первом, обращенном вперед конце 708 больше чем во втором, обращенном назад конце 709 корпуса 700. Clutch 706 comprises a first, most forward end 703 and a second, most trailing end 704 relative to the position of the drill string 100. The longitudinal axis of the coupling 706 is coaxial with the longitudinal axis of the drill string 100 when the rod manipulator 102 is placed on the rig 101 to provide a connection between rods 100, 400. The cam housing 700 further comprises a neck portion 707 extending from the first end 703 of the coupling 706. The inwardly facing surface 500 of the neck 707 is expanded radially outward from the longitudinal axis of the coupling 706 and a cylindrical surface 501. In accordance with a specific implementation, the surface 500 extends radially outward from the surface 501 at an angle within the range of 8-15 °. The axial length of the neck portion 707 essentially makes up a third of the axial length of the sleeve 706. Thus, the diameter or width of the hole in the inner chamber 303, which is formed by the "closed" cams 204, in the first forward facing end 708 is greater than in the second, facing back end 709 of case 700.

Таким образом, обращенная внутрь поверхность 500 участка 707 горловины выполнена преимущественно в форме усеченного конуса, при этом конец конуса с меньшим диаметром расположен в конце 703 цилиндра, а конец конуса с максимальным диаметром соответствует первому концу 708 цилиндрического корпуса 700. Thus, the inwardly facing surface 500 of the neck portion 707 is predominantly in the form of a truncated cone, with the end of the cone with a smaller diameter located at the end of the cylinder 703, and the end of the cone with the maximum diameter corresponding to the first end 708 of the cylindrical body 700.

Фиг.8 показывает взаимное расположение кулачков 204, которые расположены близко вокруг штанги 400, транспортируемой от стеллажа 103 к установке 101, а фиг.9 показывает соответствующее положение кулачков 204, «замкнутых» вокруг штанги 400. Диаметр цилиндрической поверхности 501 выполнен немного больше внешнего диаметра штанги 400, так что кулачки 204 не сжимают штангу 400, а удерживают штангу 400, допуская небольшую степень поперечного перемещения (в плоскости y-z) и позволяя штанге 400 вращаться и аксиально скользить относительно кулачков 204. Fig. 8 shows the relative position of the cams 204, which are located close around the rod 400, transported from the rack 103 to the installation 101, and Fig. 9 shows the corresponding position of the cams 204, "closed" around the rod 400. The diameter of the cylindrical surface 501 is made slightly larger than the outer diameter rods 400, so that the cams 204 do not compress the rod 400, but hold the rod 400, allowing a small degree of lateral movement (in the yz plane) and allowing the rod 400 to rotate and axially slide relative to the cams 204.

Фиг.10 изображает процесс соединения штанг 100, 400 в направлении F. Как показано, каждая штанга содержит соединение 802 с наружной резьбой, предусмотренное в первом конце, и соединение 803 с внутренней резьбой - на другом, втором конце. Винтовые резьбы 800 расположены на внутренней поверхности 804 штанги 100 на участке 803, и соответствующие винтовые резьбы 801 предусмотрены на внешней поверхности 805 штанги 400 на участке 802. Каждый соединительный участок 802, 803 содержит аксиально короткую цилиндрическую направляющую поверхность 806, имеющую осевую длину Е. Так что осевая длина резьб 800, 801 содержит длину D. Figure 10 depicts the process of connecting the rods 100, 400 in the direction F. As shown, each rod contains a connection 802 with an external thread provided at the first end, and a connection 803 with an internal thread at the other, second end. Screw threads 800 are located on the inner surface 804 of the rod 100 in the portion 803, and corresponding screw threads 801 are provided on the outer surface 805 of the rod 400 in the portion 802. Each connecting portion 802, 803 comprises an axially short cylindrical guide surface 806 having an axial length E. So that the axial length of the threads 800, 801 contains the length D.

Узел 102 для манипулирования штангами приспособлен для подбирания штанги 400 со стеллажа 103 так, что первый обхватываемый концевой участок штанги 400 размещается в пределах внутренней камеры 303. В частности, конец штанги 400 заходит аксиально внутрь цилиндрической муфты 501 на расстояние С так, чтобы быть расположенным аксиально позади конца 703 и участка 707 горловины. Таким образом, осевая длина А цилиндрического участка 501 больше чем длина С, так что конец штанги 400 (длина С) составляет приблизительно 70-90% длины А. Когда узел 102 для манипулирования штангами размещают на установке 101 (так что штанги 100, 400 аксиально центрированы), зажимной узел 106 и центрирующий инструмент 104 продвигаются аксиально в направлении F вдоль оси х. Участок 707 горловины перемещается аксиально относительно обхватывающего конца штанги 100, который в свою очередь размещается во внутренней камере 303 корпуса 700. Любой поперечный перекос (в плоскости y-z) компенсируется сужающейся внутренней поверхностью 500, которая действует как направляющая воронка для небольшого регулирования поперечного положения (в плоскости y-z) обхватываемого конца штанги 400. В частности, именно центрирующий инструмент 104, который отклоняется в сторону при зацеплении со штангой 100, когда штанга 100 прочно зафиксирована посредством узлов 108 и 107 и, в значительной степени, не способна к какому-либо поперечному перемещению в плоскости y-z. Таким образом, корпус 700 вновь центрируется посредством штанги 100, чтобы позволять концу 808 штанги 100 проходить в цилиндрический участок 501 и аксиально перекрываться с концом 807 штанги 400 в пределах участка 501. Такое поперечное отклонение центрирующего инструмента 104 обеспечивается посредством поперечного сгибания балки 113.The rod manipulation assembly 102 is adapted to pick up the rod 400 from the rack 103 so that the first clipped end portion of the rod 400 is placed within the inner chamber 303. In particular, the end of the rod 400 extends axially inward from the cylindrical sleeve 501 so as to be axially located behind end 703 and neck portion 707. Thus, the axial length A of the cylindrical portion 501 is greater than the length C, so that the end of the rod 400 (length C) is approximately 70-90% of the length A. When the node 102 for manipulating the rods is placed on the installation 101 (so that the rod 100, 400 axially centered), the clamping unit 106 and the centering tool 104 advance axially in the F direction along the x axis. The neck portion 707 moves axially relative to the grasping end of the rod 100, which in turn is housed in the inner chamber 303 of the housing 700. Any transverse skew (in the yz plane) is compensated by the tapering inner surface 500, which acts as a guide funnel for small adjustment of the transverse position (in the plane yz) the girth of the end of the rod 400. In particular, it is the centering tool 104, which deviates to the side when engaged with the rod 100, when the rod 100 is firmly fixed means for nodes 108 and 107 and, to a large extent, is not capable of any lateral movement in the plane y-z. Thus, the housing 700 is again centered by the rod 100 to allow the end 808 of the rod 100 to extend into the cylindrical portion 501 and axially overlap with the end 807 of the rod 400 within the portion 501. This lateral deflection of the centering tool 104 is achieved by laterally folding the beam 113.

В соответствии с другими конкретными реализациями, осевая длина В конического участка 707 может быть больше или меньше, чем соответствующая длина, показанная на фиг.10, относительно осевой длины А участка 501. Кроме того, угол, под которым обращенная внутрь поверхность 500 продолжается радиально наружу из поверхности 501, может быть больше или меньше, чем угол, показанный на фиг.10. Таким образом, центрирующий инструмент 104 может быть приспособлен для компенсации значительного перекоса между штангами 100, 400. Если исполнительный механизм 211 содержит гидравлический блок, то кулачки 204 удерживаются замкнутыми вокруг штанги 400, как показано на фиг.9, посредством приложения гидравлического избыточного давления в блоке 211.In accordance with other specific implementations, the axial length B of the conical portion 707 may be larger or smaller than the corresponding length shown in FIG. 10 with respect to the axial length A of the portion 501. In addition, the angle at which the inwardly facing surface 500 extends radially outward from surface 501 may be larger or smaller than the angle shown in FIG. 10. Thus, the centering tool 104 can be adapted to compensate for a significant skew between the rods 100, 400. If the actuator 211 includes a hydraulic unit, the cams 204 are kept closed around the rod 400, as shown in FIG. 9, by applying hydraulic overpressure to the unit 211.

В соответствии с другими конкретными реализациями, участок 706 соединительной муфты может содержать любые направляющие средства для окружения концевых участков каждой штанги 100, 400, которые аксиально по существу центрированы с продольной осью каждой штанги. Например, участок 706 муфты может содержать множество параллельных полос, стержней или фланцев. Кроме того, участок 707 горловины может также содержать множество отдельных элементов, которые действуют так, чтобы направлять поперечное перемещение соединительного участка 706 в осевое центрирование со штангой 100. Таким образом, участок 707 горловины может содержать множество фланцев, которые выступают радиально наружу из конца 703 соединительного участка 501.According to other specific implementations, the coupler portion 706 may include any guide means for surrounding the end portions of each rod 100, 400 that are axially substantially centered with the longitudinal axis of each rod. For example, clutch portion 706 may comprise a plurality of parallel strips, rods, or flanges. In addition, the neck portion 707 may also comprise a plurality of individual elements that act to direct lateral movement of the connecting portion 706 in axial alignment with the rod 100. Thus, the neck portion 707 may comprise a plurality of flanges that protrude radially outward from the connecting end 703. plot 501.

Claims

1. Device (102) for manipulating drill rods for feeding rods to and from a drill string created by a drilling rig (101), said device (102) comprising:

a clamping unit (106) comprising:

grippers (301, 302, 403) for contacting and holding the first rod (400), which should be moved to the rig (101), while the clamping unit is mounted with the possibility of rotary and axial movement in the x, y and z directions in rod transportation time;

a conveyor (109) for moving the clamping unit (106) from the rod collection position to the rod connection position on the drilling rig (101), so that in the said rod connection position, the first rod (400) is axially centered with the drill string, while the clamping unit contains a support a frame mounted on the conveyor and a slide axially movable relative to the support frame;

a centering tool (104) fixed to the clamping unit (106) by means of an elongated connector (113), said centering tool (104) comprising a pair of centering cams (204), at least one of said cams (204) is movable to allow the cams (204) to open and close around the first rod (400);

moreover, part of the said cams (204) in the closed state forms a connecting portion (706) and a guide neck (707), protruding radially outward from one end of a portion of the connecting portion (706), for axially centering the connecting portion (706) relative to the second rod (100 ) forming the end of the drill string to provide a centered connection of the first (400) and second (100) rods within the connecting portion (706).

2. The device according to claim 1, in which each cam (204) is pivotally mounted on a support frame (212) and is rotatable to move radially to and from a longitudinal axis passing through the connecting portion (706).

3. The device according to claim 1 or 2, in which the connecting section (706) contains a sleeve containing a radially inwardly facing surface (501) with a substantially cylindrical profile.

4. The device according to claim 1 or 2, in which the guide neck (707) comprises a radially inwardly facing surface (500) having a substantially conical profile.

5. The device according to claim 1 or 2, further comprising a drive actuator (211), mounted on a support frame (212) and connected to at least one of the cams (204), for moving said at least one cam (204) ) for opening and closing around the first rod (400).

6. The device according to claim 1 or 2, in which the first end (217) of the elongated connector (113) is fixed to the clamping unit (106), and the second end (216) of the elongated connector (113) is fixed to the centering tool (104), said connector (113) is adapted for folding in a direction transverse to its longitudinal axis, so that the centering tool (104) is made with the possibility of lateral deviations relative to the clamping unit (106).

7. The device according to claim 1 or 2, in which the barbell grips (301, 302, 403) contain:

a pair of gripping cams (301, 302), made with the possibility of movement for opening and closing around the first rod (400); and

gripping rollers (403), mounted on cams (301, 302), to contact and hold the first rod (400) in a fixed position in the clamping unit (106).

8. The device according to claim 1 or 2, further comprising at least one sensor (208) mounted on the clamping unit (106), for detecting changes in axial displacement between the clamping unit (106) and the first rod (400).

9. The device according to claim 7, in which said connecting portion (706) is located essentially coaxial with the cams (301, 302), gripping the rod, so that the first section of the first rod (400) can be clamped by means of the cams (301, 302) , capturing the rod, and the second section of the first rod (400) may be surrounded by centering cams (204).

10. The device according to any one of paragraphs. 1, 2 and 9, in which said guide neck (707) protrudes radially outward from the inwardly directed surface (501) of the connecting portion (706) at an angle within the range of 5-20 °.

11. An automated assembly for manipulating drill rods, comprising a device (102) according to any preceding claim, comprising means for controlling the movement of the clamping assembly (106) and the centering tool (104) relative to the drill string in accordance with an automated sequence.

12. A drilling rig (101) for supplying rods to and from the drill string, comprising:

a feed frame (111);

a rotator (107) mounted on the feed frame (111) for communicating rotational motion to said drill string;

a rod holder (108) mounted on the feed frame (111) for securing an end portion of the drill string, said rotator (107) being axially movable to and from the rod holder (108); and

a device (102) for manipulating the rods according to any preceding paragraph, adapted to move the rods (400) between the rod collection position and the rod connection position, for axially centering the first rod (400) with the end rod (100) of the drill string held by the rod holder (108 ) and / or rotator (107).

13. A method for supplying rods to a drill string created by a drilling rig (101), said method comprising:

coming into contact and holding the first section of the first rod (400) in the rod collection position by means of the bar grippers (301, 302, 403) located in the clamping unit (106), mounted with the possibility of rotary and axial movement in the x, y and z directions during rod transportation;

moving the clamping assembly (106) from the rod assembly position to the rod connection position, in which the first rod (400) is arranged substantially axially with the second rod (100) forming the end portion of the drill string;

gripping the second section of the first rod (400) axially separated from the first section by means of a centering tool (104) comprising a pair of centering cams (204) that close around said second section and support the first rod (400) across the connecting section (706), formed by cams (204) during the step of contacting the first portion of the bar with the bar grippers (301, 302, 403);

axial advancement of the first bar (400) to the second bar (100); and

the direction of engagement of the second rod (100) within the connecting section (706) through the guide neck (707), extended radially outward from the part of the connecting section (706) to place the connected first (400) and second (100) rods at least partially in within the connecting portion (706) in axial alignment.

14. The method of claim 13, wherein the step of contacting and holding the first portion of the first rod (400) comprises gripping the first portion by means of a pair of gripping cams (204) that are closed around the first rod (400).

15. The method according to claim 14, comprising synchronizing the closure of the gripping cams (301, 302) and the centering cams (204) around the rod.